鋼箱梁頂推施工中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)受力分析

范鵬　李志成

摘 ?要：依托某帶導(dǎo)梁鋼箱梁頂推施工工程，通過(guò)Midas Civil軟件建立鋼箱梁全橋細(xì)化模型，研究了在頂推施工過(guò)程中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在不同計(jì)算工況下的受力變化。考慮不同工況下對(duì)應(yīng)的邊界條件和施工荷載施加等因素，分析計(jì)算了施工全工況下及結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變。研究結(jié)果表明：在不同施工階段下，結(jié)構(gòu)受力均滿足規(guī)范要求，導(dǎo)梁在斜交鋼箱梁頂推施工過(guò)程中存在扭轉(zhuǎn)變形的現(xiàn)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)受力不利應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁? 頂推施工? 導(dǎo)梁 ?受力分析

中圖分類號(hào)：U445.462????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Force Analysis of Guide Beam Structure in the Incremental Launching Construction of Steel Box Girders

FAN Peng LI Zhicheng

（1. Yancheng Emergency Disposal Center for Highway Maintenance， Yancheng， Jiangsu Province， 224000 China；2. Hohai University， Nanjing， Jiangsu Province， 210098 China）

Abstract： Relying on the incremental launching construction project of a steel box girder with the guide beam， this paper establishes a refined model of the whole steel box girder bridge by Midas Civil software， and studies the force changes of the guide beam structure under different calculation conditions during incremental launching construction. Considering the factors such as the corresponding boundary conditions and construction load application under different working conditions， this paper analyzes and calculates the stress and strain of the whole construction condition and the structure. The results show that under different construction stages， the force of the structure meets the requirements of the code， and that the guide beam has torsional deformation during the incremental launching construction of the skew steel box girder， so the unfavorable force of the structure should be paid more attention to.

Key Words： Steel box girder; Incremental launching construction; Guide beam; Force analysis

近年來(lái)，我國(guó)交通建設(shè)發(fā)展迅速，其中公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也不斷深入。隨著近年橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及橋梁構(gòu)件施工制造水平的不斷提升，國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁數(shù)量與日俱增。頂推施工法相對(duì)其他施工方法具有不影響橋下交通或通航的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用^[1]。頂推施工工法包含了多個(gè)關(guān)鍵施工技術(shù)，如臨時(shí)墩、滑移平臺(tái)和導(dǎo)梁等結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)梁的使用可以減少結(jié)構(gòu)最大懸臂長(zhǎng)度，改善主梁受力狀態(tài)，提高施工安全性。導(dǎo)梁在頂推過(guò)程中周期性地動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)懸臂、簡(jiǎn)支，直接影響著導(dǎo)梁受力狀態(tài)，使得導(dǎo)梁的內(nèi)力變化也呈現(xiàn)周期性變化。

謝福君等人^[2]通過(guò)有限元模擬對(duì)導(dǎo)梁的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)頂推過(guò)程中主梁的應(yīng)力和變形的影響進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：導(dǎo)梁的長(zhǎng)度及平均線重度對(duì)導(dǎo)梁根部的彎矩的影響較大，呈線形關(guān)系。翼偉等人^[3]基于位移法原理建立節(jié)點(diǎn)平衡方程，推導(dǎo)出符合實(shí)際工程算例的導(dǎo)梁參數(shù)優(yōu)化計(jì)算公式，可適用于多種橋梁結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)梁優(yōu)化。研究表明：在實(shí)橋算例中，導(dǎo)梁的最優(yōu)長(zhǎng)度比、單位荷載集度比及抗彎剛度比分別為 0.78、0.14 及 0.39。翟相飛^[4]基于有限元模擬，分析了施工預(yù)拱度值和各節(jié)段之間的位移變形值，并針對(duì)大跨度鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)焊接裝配精度要求高的特點(diǎn)，提出了鋼箱梁安裝精度和質(zhì)量控制的新方法。林華彬^[5]以某跨海大橋施工監(jiān)控為例，建立全橋桿系有限元模型，分析了梯度溫度對(duì)線形監(jiān)測(cè)的影響，結(jié)果表明：橋梁的首個(gè)大節(jié)段對(duì)梯度溫度最為敏感。時(shí)曉曄等人^[6]通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)4種不同導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)加固方案進(jìn)行了對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)：縱向加勁肋優(yōu)于豎向加勁肋的效果，且結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選用了兩排縱向加勁肋進(jìn)行加固，加固后的導(dǎo)梁在后續(xù)頂推施工過(guò)程中未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在鋼箱梁頂推施工中的受力狀態(tài)呈周期性變化，考慮到導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)為工字型鋼材，其局部應(yīng)力直接影響結(jié)構(gòu)的安全，故需對(duì)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文通過(guò)有限元模擬計(jì)算的方式，分析全施工工況下導(dǎo)梁的受力情況以及撓度變形，得到導(dǎo)梁在頂推施工中的應(yīng)力變化規(guī)律，并為同類工程提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工上的指導(dǎo)。

1? 工程概況

本文依托工程連續(xù)鋼箱梁一連三跨共154 m，橋梁上跨鹽靖高速， 采用三跨連續(xù)鋼箱梁，路線中心線處跨徑布置為42 m+70 m+42 m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用全焊單箱三室截面鋼箱梁，輔道上部結(jié)構(gòu)采用全焊單箱單室截面鋼箱梁，主橋?qū)挾?8 m，左輔道、右輔道寬均為9.775 m，梁高 3.0 m。輔道由于路線中心偏離結(jié)構(gòu)中心較遠(yuǎn)，橫隔板及腹板豎向加勁肋沿結(jié)構(gòu)中心線布置。

2? 有限元模型

現(xiàn)場(chǎng)施工為頂推與吊裝相結(jié)合，其中129 m為頂推鋼箱梁，剩余25 m為吊裝鋼箱梁。主梁結(jié)構(gòu)為單箱三室鋼箱梁，材料采用Q345qD，全寬20.8 m，兩側(cè)采用1.9 m長(zhǎng)的懸臂板，底板寬度為23.7 m，各腹板均鉛垂布置，各腹板縱向均采用肋板加勁，鋼箱梁頂?shù)装寰谥ё恢锰庍M(jìn)行加厚處理。導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)同樣采用Q235鋼，導(dǎo)梁腹板采用工字形截面，腹板間通過(guò)橫撐橫向連接，導(dǎo)梁總長(zhǎng)20 m，導(dǎo)梁工字形截面腹板厚16 mm，上下緣厚16 mm，左右腹板間距4.75 m。本文計(jì)算采用 Midas Civil進(jìn)行頂推模擬，取主橋進(jìn)行分析。采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算，整體模型采用梁格法進(jìn)行模擬計(jì)算。鋼箱梁自重及導(dǎo)梁自重通過(guò)自重系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。鋼梁?jiǎn)畏髁褐? 833 t（含混凝土欄桿），每延米重量約12 t/m。頂推導(dǎo)梁總重24 t，總長(zhǎng)20 m，每延米重量約1.2 t/m。與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及全橋模型如圖1所示。模型采用“梁不動(dòng)，支承體系（臨時(shí)墩或主橋墩與鋼箱梁之間的支承單元）隨各個(gè)施工階段變化而變化”的方法對(duì)頂推過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。

3 ?有限元計(jì)算

3.1? 工況分析

本文依托工程結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙和安裝現(xiàn)場(chǎng)工況，擬采用步履式頂推施工工藝進(jìn)行鋼箱梁安裝施工，利用步履式頂推設(shè)備將鋼箱梁由北側(cè)拼裝區(qū)域分別由15#墩向18#進(jìn)行頂，頂推最大懸臂43 m。由于在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)頂推施工過(guò)程中，不同工況下的支承方式會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)頂推施工圖紙中的頂推工藝步驟圖，采用Midas/Civil軟件用梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算，取其中多個(gè)工況來(lái)對(duì)此次頂推流程進(jìn)行計(jì)算，如表1所示。

3.2有限元結(jié)果

據(jù)表2各工況下導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可知，在鋼箱梁頂推施工過(guò)程中，導(dǎo)梁最大折算應(yīng)力值為90.0 MPa，發(fā)生在工況五，即導(dǎo)梁前端頂過(guò)7#臨時(shí)支架18 m。導(dǎo)梁最大位移值為68.7 mm，發(fā)生在工況三中，即鋼梁前端剛好到達(dá)7#臨時(shí)支架，未落梁，此時(shí)鋼箱梁處于最大懸臂狀態(tài)，為43 m。導(dǎo)梁應(yīng)力在鋼箱梁施工全過(guò)程中出現(xiàn)了3次峰值，分別為工況二、工況六和工況八，根據(jù)該3個(gè)工況下的鋼箱梁施工狀態(tài)可知，工況二、八的峰值現(xiàn)象是因結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，導(dǎo)梁部分由懸臂狀態(tài)變?yōu)楹?jiǎn)支狀態(tài)，大大減小了導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生突變現(xiàn)象。導(dǎo)梁位移在施工全過(guò)程中出現(xiàn)了兩次波動(dòng)，分別為工況二、工況六，與導(dǎo)梁應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，但在波動(dòng)程度上相互錯(cuò)開(kāi)。

工況2下的導(dǎo)梁處于懸臂狀態(tài)，根據(jù)圖3可知，導(dǎo)梁左側(cè)位移從導(dǎo)梁根部開(kāi)始逐漸增大，最大值為68.7 mm，最大撓度出現(xiàn)在導(dǎo)梁最前端位置，右側(cè)位移分布規(guī)律與左側(cè)一致，最大值為58.4 mm，兩者差值為10.3 mm，故導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致兩側(cè)位移出現(xiàn)較大差距。從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果看，導(dǎo)梁左右兩側(cè)底板整體未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，且其兩側(cè)應(yīng)力均勻變化，最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁根部與鋼箱梁連接位置處，最大應(yīng)力43.6 MPa。工況六下導(dǎo)梁部分處于懸臂狀態(tài)，由圖4可知，導(dǎo)梁懸臂部分位移和應(yīng)力分布規(guī)律與工況2一致，而非懸臂部分右側(cè)底板在支承位置處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，且發(fā)生應(yīng)力集中位置處的應(yīng)力最大達(dá)90.0 MPa，兩側(cè)應(yīng)力峰值相差18.3 MPa，支承一側(cè)導(dǎo)梁的應(yīng)力水平均較大，局部區(qū)域存在屈服的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3? 導(dǎo)梁整體穩(wěn)定性計(jì)算

導(dǎo)梁取最不利工況（工況五，導(dǎo)梁前端懸挑12 m）計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。在工況五基本組合下，導(dǎo)梁最大彎矩為M_x=3150.4 kN·m，M_y=368.7 kN·m。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）6.2.3條：對(duì)兩個(gè)主平面受彎的H型鋼截面或工字形截面構(gòu)件的整體穩(wěn)定性公式可得：

4? 結(jié)論

本文依托某斜交鋼箱梁頂推施工的實(shí)際工程參數(shù)，基于Midas Civil有限元模型，詳細(xì)分析了在頂推施工過(guò)程中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)的受力情況，并得到了以下結(jié)論。

（1）根據(jù)鋼箱梁頂推施工全過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果，導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在各計(jì)算工況下的所有構(gòu)件受力以及整體穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）斜交頂推施工過(guò)程中，導(dǎo)梁撓度與應(yīng)力的峰值并不同步，最大撓度發(fā)生于最大懸臂狀態(tài)，而最大應(yīng)力發(fā)生于導(dǎo)梁越過(guò)7號(hào)支架10 m處。現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注最大懸臂狀態(tài)下的懸臂端導(dǎo)梁的撓度變形以及懸臂狀態(tài)過(guò)后的導(dǎo)梁局部應(yīng)力。

（3）導(dǎo)梁在斜交鋼箱梁頂推施工過(guò)程中存在扭轉(zhuǎn)變形的現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，其銳角側(cè)支撐位置的應(yīng)力較大，有局部應(yīng)力集中導(dǎo)致局部屈曲的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

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